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        水庫大壩變形觀測(cè)過程GPS-RTK技術(shù)的有效運(yùn)用

        2016-02-15 06:18:52劉偉強(qiáng)廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪工程分院
        河南水利與南水北調(diào) 2016年12期
        關(guān)鍵詞:變形體大壩水位

        □劉偉強(qiáng)(廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪工程分院)

        水庫大壩變形觀測(cè)過程GPS-RTK技術(shù)的有效運(yùn)用

        □劉偉強(qiáng)(廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪工程分院)

        將G PS-RTK技術(shù)有效運(yùn)用于水庫大壩變形觀測(cè)過程中是近年來水利工程科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。因?yàn)镚 PS-RTK作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的代表,已經(jīng)逐漸適應(yīng)了水利水電工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的各項(xiàng)需求,提高了大壩在高邊坡、滑坡等監(jiān)測(cè)技術(shù)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度與測(cè)量精度。文章基于G PS-RTK的周跳載波相位測(cè)量技術(shù)所衍生的小波變換理論,詳細(xì)分析了在水庫大壩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的具體計(jì)算應(yīng)用。

        水庫大壩變形監(jiān)測(cè);G PS-RTK;數(shù)據(jù)處理;小波變換理論

        0 引言

        中國(guó)擁有10萬余座水利堤壩,它們?cè)诜篮椤⒐喔?、發(fā)電、供水及航運(yùn)等方面為國(guó)家建設(shè)帶來極大經(jīng)濟(jì)效益,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。但伴隨高壩大庫的越來越多以及水利堤壩的長(zhǎng)期病害老化問題,水利大壩的變形監(jiān)測(cè)監(jiān)控就成為現(xiàn)如今工程的重大課題。目前所常見的水電工程滑坡、海上建筑物沉陷等等都會(huì)導(dǎo)致大壩變形,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成大量非計(jì)劃泄放庫水的瞬間爆發(fā),為大壩下游地區(qū)帶來不可估量的嚴(yán)重?fù)p失。所以一定要做好水庫大壩的變形監(jiān)測(cè)工作,確保大壩時(shí)刻安全,使其更好為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

        1 GPS-RTK技術(shù)在水利工程變形監(jiān)測(cè)中的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

        水庫大壩在大型土建建設(shè)過程中為確保工程穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),會(huì)在周邊修建一些臨時(shí)或永久的邊坡工程,對(duì)于這些邊坡工程必須要做好有效的變形監(jiān)測(cè)及計(jì)算,防止它們出現(xiàn)塌陷問題進(jìn)而影響這個(gè)水庫大壩穩(wěn)定性。其主要做法就是依據(jù)邊坡工程變形規(guī)律與發(fā)展趨勢(shì)來進(jìn)行合理加固,保證工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。一般來說,可以通過GPS-RTK載波相位差分技術(shù)來實(shí)時(shí)獲取大壩變形體動(dòng)態(tài)唯一信息,借助信息預(yù)測(cè)其變形規(guī)律以及適時(shí)預(yù)警變形體的具體安危狀況。變形監(jiān)測(cè)主要涉及3個(gè)基本屬性:實(shí)時(shí)性、事前性和可靠性,監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容也包括3方面:對(duì)大壩變形體精度指標(biāo)的監(jiān)測(cè)確定、對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法的確定及實(shí)施以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析和對(duì)大壩安全狀況的診斷預(yù)警。在監(jiān)測(cè)過程中,其核心問題就是如何根據(jù)變形體來確定所允許變形值,再圍繞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息獲得真實(shí)變形值這一過程??梢哉f變形值就是評(píng)判變形體安全的主要指標(biāo),也是確定監(jiān)測(cè)方法的關(guān)鍵依據(jù)。在工程中,大壩變形值與設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)條件、施工質(zhì)量以及工況都有關(guān)系,是綜合指標(biāo)。常規(guī)監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)要求其允許變形值應(yīng)該在1/10~1/20范圍內(nèi),但在實(shí)際工程測(cè)量中也允許參考基準(zhǔn)來確定,在此基礎(chǔ)上消除誤差。就目前來看,基于GPS-RTK技術(shù)的變形預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型就包括灰色系統(tǒng)模型、時(shí)間序列模型、小波模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。這些模型各有優(yōu)勢(shì),但水電工程運(yùn)行過程中存在多種影響因素且復(fù)雜不確定性強(qiáng),所以在實(shí)施數(shù)學(xué)模型變形預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)該對(duì)預(yù)報(bào)過程做出充分的、全面的分析,以確定選擇哪一種數(shù)學(xué)模型。

        對(duì)于水庫大壩這樣的巨型且結(jié)構(gòu)精密的建筑物,必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)掌握以確保其穩(wěn)定性。這里選擇采用GPS-RTK技術(shù)可以對(duì)水壩進(jìn)行有效實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)行為。目前中國(guó)對(duì)水庫大壩所采用的是壩頂監(jiān)測(cè),不但滿足了GPS-RTK對(duì)天開闊監(jiān)測(cè)的基本要求,而且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè),連續(xù)長(zhǎng)期獲取大壩運(yùn)行信息,是對(duì)大壩常規(guī)觀測(cè)外的理想技術(shù)補(bǔ)充。

        2 基于GPS-RTK周跳探測(cè)的小波變換技術(shù)

        2.1 周跳探測(cè)

        GPS-RTK接收機(jī)所接收信號(hào)是根據(jù)時(shí)間而變化的變量,它的載波相位觀測(cè)值就是其中最重要的時(shí)間函數(shù)。該函數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化而成為一條連續(xù)光滑曲線,當(dāng)出現(xiàn)周跳時(shí),光滑曲線就會(huì)被破壞。同時(shí),周跳也具備繼承性,讓所有載波觀測(cè)值都保持相同周跳,所以說周跳可以被視為是GPS載波觀測(cè)值中的異常值,具體情況如圖1。

        圖1 基于原始觀測(cè)與一、二差觀測(cè)的周跳值曲線函數(shù)圖

        2.2 小波變換

        從圖1的觀測(cè)函數(shù)值可以看出,周跳能夠表現(xiàn)出不同特征。但在傳統(tǒng)GPS-RTK技術(shù)對(duì)周跳進(jìn)行測(cè)量時(shí),某些細(xì)小周跳會(huì)被系統(tǒng)誤差或噪聲所掩蓋,因此要采用小波變換對(duì)周跳信號(hào)特征效果進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè),根據(jù)周跳混雜于系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差及偶然誤差來觀測(cè)數(shù)據(jù)變化。

        在水庫大壩變形監(jiān)測(cè)過程中,小波變換是實(shí)施信號(hào)時(shí)頻分析與處理的最佳工具,因?yàn)榫_監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及可以有效預(yù)測(cè)大壩變形,分析水庫工程運(yùn)行的健康狀況。考慮到水庫大壩變形受多種因素影響,且這些因素具有很大的隨機(jī)性與非線性,所以必須根據(jù)變形本身所產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)時(shí)間序列來進(jìn)行深度分析,選擇時(shí)間序列分解模型來對(duì)大壩變形進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

        對(duì)水庫大壩變形體監(jiān)測(cè)過程而言,基于GPS-RTK與小波變換理論的監(jiān)測(cè)特征主要要?dú)w納為以下2點(diǎn)。第一,GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)是具有趨勢(shì)性變化的,當(dāng)水庫大壩建成運(yùn)行時(shí)期,水壩在自重及水壓荷載共同作用下會(huì)發(fā)生徐變現(xiàn)象,它會(huì)導(dǎo)致壩體向上游或向下游的時(shí)效變形。由于大型水庫在庫水位會(huì)保持在正常高準(zhǔn)且不放空,所以水壓力作用會(huì)在壩體上產(chǎn)生彈性變量,導(dǎo)致水位逐漸上升。此時(shí)趨勢(shì)項(xiàng)分量就能夠判斷大壩位移是否穩(wěn)定,不過由于大壩變形存在復(fù)雜性,所以趨勢(shì)項(xiàng)一般反映的都是大壩的基本性態(tài)。第二,GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)是具有隨機(jī)波動(dòng)特征的,這一點(diǎn)主要與影響大壩變形的溫度、水壓、地震等荷載客觀因素有關(guān),由于這些這些因素是時(shí)刻變化的,所以說它們?cè)诖髩巫冃芜^程中是隨機(jī)波動(dòng)的。利用GPS-RTK結(jié)合小波變換監(jiān)測(cè)大壩變形體不存在確定性函數(shù),所以無法完全準(zhǔn)確描述其變形函數(shù)曲線,因此這就導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)過程存在無法避免的誤差。但如果能合理利用小波理論綜合預(yù)測(cè)模型來分析大壩變形體的時(shí)間序列有點(diǎn)、對(duì)趨勢(shì)項(xiàng)以及周期項(xiàng)的有效分離,就能夠?qū)⑸鲜鲆蛩胤蛛x后的剩余殘差序列進(jìn)行重整時(shí)序分析,同時(shí)提取弱信號(hào)信息進(jìn)而提高變形監(jiān)測(cè)精度。

        3 案例簡(jiǎn)析

        以某水利大壩的一壩段為例,對(duì)其水位與5個(gè)層面壩體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)量,以下圖2為該壩段的具體水位位移過程線。

        基于GPS-RTK技術(shù)首先對(duì)該水壩位移過程線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),再利用小波理論配合回歸分析來分析大壩水位位移過程,提升監(jiān)測(cè)信息預(yù)報(bào)精度。經(jīng)過回歸分析的擬合曲線計(jì)算得出水位位移誤差為0.70 mm,它的預(yù)測(cè)模型為:

        圖2 水利大壩壩段水位位移過程線圖

        用該模型進(jìn)行回歸分析可以提高監(jiān)測(cè)精度,以下為該水壩在5次實(shí)測(cè)值后的回歸時(shí)序分析預(yù)報(bào)結(jié)果,具體情況如表1。

        表1 某水壩變形體回歸時(shí)序分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表

        對(duì)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換分析,配合經(jīng)驗(yàn)趨勢(shì)項(xiàng)部分對(duì)大壩的水位時(shí)間變化進(jìn)行計(jì)算,模擬水位的時(shí)間回歸結(jié)果,證明水位變化的位移周期性。然后再對(duì)位移周期性下的水位層面溫度進(jìn)行基于GPS-RTK的實(shí)時(shí)觀測(cè)和小波分解,發(fā)現(xiàn)它的唯一周期與溫度變化趨勢(shì)是一致的,這主要是受到了大壩本體的溫度影響。通過小波分析后的趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)也得到明顯顯示,這非常有利于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確分析。

        總結(jié)來看,基于GPS-RTK周跳探測(cè)的小波變換分析技術(shù)能夠很好的監(jiān)測(cè)大壩變形體的觀測(cè)值序列,發(fā)現(xiàn)平滑信號(hào)中的奇異信號(hào)部分,進(jìn)而解決該技術(shù)觀測(cè)中可能存在的周跳探測(cè)問題。所以選擇小波分析并建立預(yù)測(cè)模型,能夠更好預(yù)報(bào)大壩變形體變形過程甚至結(jié)果,為變形觀測(cè)給出了更為豐富的相關(guān)信息,提高了變形觀測(cè)的穩(wěn)定性。

        4 總結(jié)

        伴隨著中國(guó)大型水利水電工程技術(shù)的日新月異,像 GPSRTK這樣的載波相位差分技術(shù)也越來越受到項(xiàng)目歡迎和采納,積極的運(yùn)用于各種工程運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)問題中。文章所提到的小波變換技術(shù),正是GPS-RTK所延展出的新技術(shù)環(huán)境,它為水庫大壩工程變形監(jiān)測(cè)提供了高水平基準(zhǔn),也為工程監(jiān)測(cè)本身獲取了大量變形信息序列,使得水庫大壩工程推進(jìn)更加安全可靠。

        (責(zé)任編輯:邢博輝)

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        1673-8853(2016)12-66-02

        2016-10-24

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